1、DAVID KRESS技术营销总监运算放大器基本原理2016年5月19日模拟转电子信号处理传感器（输入） 数字处理器 放大器 转换器执行器（输出） 放大器 转换器模拟转电子信号处理传感器（输入） 数字处理器放大器 转换器放大器 转换器执行器（输出）放大器和运算放大器放大器 将低电平、高源阻抗信号转换成高电平、低源阻抗信号 运算放大器、功率放大器、射频放大器、仪表放大器等 多数复杂的放大器都是通过组合运算放大器构建的运算放大器 三端器件（加电源） 将输入端的小信号在输出端放大成超大信号运算放大器工作 运算放大器可以利用反馈网络以多种方式进行配置，以便对输入信号进行“运算” “运算”包括正/负增益
2、、滤波、非线性传递函数、比较、求和、减法、基准电压缓冲、差分放大、积分、差分等应用 模拟设计的基本构建模块 传感器输入放大器 简单和复杂滤波器抗混叠 ADC驱动器Philbrick Research于1953年推出的原始真空管运算放大器 使用+/- 300V电源0.1 英寸（以上所有封装的缩放比例相同） 8-SOICmSOICMSOP8SOT-23SC-70 14-SOICSOT-23SC-70一些现代IC运算放大器封装的相对大小AD823 JFET输入运算放大器的简化原理图INPUTS+VS-VSQ57A=19Q44A=1Q43Q58Q62R44S1NS1PVBQ49Q61Q72J6J1Q4
3、8 Q35Q53I1 Q56 Q59A=1 Q17A=19OUTPUTQ60R28(-)(+) VBE + 0.3V偏置电流 = 25pA（最大值） +25C输入失调电压 = 0.8mV（最大值，+25C）输入电压噪声 = 15nV/Hz输入电流噪声 = 1fA/Hz标准运算放大器符号 INPUTS(+)(-)理想运算放大器及其特性OP AMP OP AMP INPUTS:OP AMP OUTPUT: High Input Impedance Low Bias Current Respond to Differential Mode Voltages Ignore Common Mode Vo
4、ltages Low Source ImpedanceIDEAL OP AMP ATTRIBUTES: Infinite Differential Gain Zero Common Mode Gain Zero Offset Voltage Zero Bias CurrentOUTPUTPOSITIVE SUPPLYNEGATIVE SUPPLYINPUTS(+)(-)运算放大器电路设计使用负反馈 输出信号或其一个受控部分反馈到负(-)输入端 运算放大器会调整输出信号，直至输入差值变为0高增益示例 假设运算放大器增益为106（一百万） 将1 V信号施加于正输入端 反馈信号直接从输出端送至负输入
5、端 输出将变为1 V（-1 V） 输入差值将是1 V同相模式的运算放大器级 VIN VOUTOP AMP RFRGG = VOUT/VIN= 1 + (RF/RG)反相模式的运算放大器级 VIN = - RF/RGVOUTOP AMPRFRGG = VOUT/VINSUMMING POINT运算放大器减法器或差动放大器 VOUT = (V2V1) R2R1R1 R2_+V1V2VOUTR1 R2R2R1 = R2R1 CRITICAL FOR HIGH CMR0.1% TOTAL MISMATCH YIELDS 66dB CMR FOR R1 = R2CMR = 20 log10 1 + R2
6、R1KrWhere Kr = Total FractionalMismatch of R1/ R2 TOR1/R2EXTREMELY SENSITIVE TO SOURCE IMPEDANCE IMBALANCEREF这种配置中，两个输入引脚都有信号驱动 其中，Kr = R1/R2与R1/R2的总小数不匹配对高CMR至关重要对源阻抗不平衡极端敏感. 总不匹配 66dB CMR（R1 = R2时）高共模电流检测 使用AD629差动放大器VCM = 270V for VS = 15V单极点运算放大器有源滤波器(A)LOWPASS (B)HIGHPASS+-+-运算放大器的主要性能特性带宽和压摆率
7、运算放大器的速度 带宽为运算放大器的最高工作频率 压摆率为输出的最大变化率 取决于所需信号频率和增益失调电压和电流 运算放大器的误差 决定测量精度噪声 运算放大器噪声限制了在保真度良好的情况下可以放大的最小信号开环增益（波特图） OPENLOOPGAINdB OPENLOOPGAINdB 6dB/OCTAVE6dB/OCTAVE12dB/OCTAVE增益带宽积 GAINdB OPEN LOOP GAIN, A(s)IF GAIN BANDWIDTH PRODUCT = XTHEN Y fCL = XfCL = XYWHEREfCL= CLOSED-LOOPBANDWIDTHLOG ffCLNO
8、ISE GAIN = YY = 1 + R2R1噪声增益 + -IN + - + -A B CR1R2 IN R1 R2 R2R1INSignal Gain = 1 + R2/R1Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = -R2/R1Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1Noise Gain = 1 + R2R1 R3Voltage Noise and Offset Voltage of the op amp are reflected to the output by the Noise Gain.Noise
9、Gain, not Signal Gain, is relevant in assessing stability.Circuit C has unchanged Signal Gain, but higher Noise Gain, thusbetter stability, worse noise, and higher output offset voltage.+ - + - + -+ - + - + -+ - + - + -运算放大器的电压噪声和失调电压通过噪声增益反映到输出端。噪声增益（而非信号增益）与稳定性评估有关。电路C的信号增益不变，但噪声增益更高，因此稳定性更好，噪声性能更
10、差，输出失调电压更高。AD847开环增益 AD8051相位余量标准输入级（差分对） VINPNP输入级 +VS-VS复合输入级 +VS-VS输出级。标准配置的发射极跟随器和“轨到轨”配置的共发射极+VS共发射极 -VS输出发射极跟随器 VS-VS输出输入失调电压 -VOSu 失调电压：须向运算放大器输入端施加以产生0输出的差分电压。u 范围：l 零漂移斩波稳定运算放大器： 1Vl 通用精密运算放大器 50-500Vl 最佳双极性运算放大器： 10-25Vl 最佳FET运算放大器： 100-1,000Vl 高速运算放大器： 100-2,000Vl 未调整CMOS运算放大器： 5,000-50,0
11、00Vl DigiTrim CMOS运算放大器： 1,000V失调调整引脚 -+2318 74 6+VSOR -VS +VS-VS外部失调调整 VOUT = R2R1 VIN R2R3VRMAXOFFSET VOUT = R2R1 VIN 1 + R2R1 RPRP + R3 VRMAXOFFSETRP = R1|R2 IF IB+ IB-RP 50 IF IB+ IB-+(A)VIN VOUTR1 R2R3 +VRVR RA RB NOISE GAIN = R2R1|(R3 + RA|RB)1 +(B)VIN VOUTR1 R2R3 RP+VRVR RBRA NOISE GAIN =R2R11 + 输入偏置电流 +IB+IB-
